Странный новый вид магнетизма обнаружен в материале толщиной всего шесть атомов

Более полувека назад японский физик Ёсуке Нагаока предположил, что магнитное поле может расширяться за счет блуждающих электронов, беспокойно ищущих место для отдыха, что радикально отличалось от традиционных моделей ферромагнетизма.

А Явление, недавно наблюдавшееся в стопке чередующихся полупроводников, можно объяснить предположениями Нагаоки, преподнеся при этом несколько непредвиденных сюрпризов.

В эксперименте, проведенном исследователями из ETH Zürich в Швейцарии, атомарно тонкие сетки двух разных синтетических материалы накладывались друг на друга, как страницы самой тонкой книги в мире, чтобы создать повторяющийся эффект, известный как муаровый узор.

«Такие муаровые материалы вызвали большой интерес в последние годы, поскольку их можно использовать для исследования квантовых эффектов сильно взаимодействующие электроны очень хорошо взаимодействуют», — объясняет старший автор исследования и физик Атач Имамоглу.

Однако до сих пор очень мало было известно об их магнитных свойствах».

Магнетизм — это коллективная работа множество электронов объединяются в соответствии с квантовым контрактом, продиктованным свойством, называемым спином.

В отличие от вращения шара, спин электрона является бинарной характеристикой. Он никогда не бывает быстрым или медленным, только всегда вверх или вниз. Или, если вы представляете их как крошечные магниты, северные или южные.

Расположите достаточное количество этих крошечных магнитов так, чтобы их вращения выровнялись; их коллективное поведение позволит чему-то вроде обычного куска железа приклеить к дверце холодильника рисунок улыбающегося нарцисса, сделанный вашей племянницей.

Это соглашение о том, каким образом выровняться, достигается благодаря взаимодействию между электронами, спокойно сидящими в сиденья заднего ряда их атома. Квантовый закон требует, чтобы электроны с одинаковым спином действительно должны держаться далеко друг от друга, что при определенных обстоятельствах создает структуру, усиливающую их магнетизм.

В 1960-х годах Нагаока реализовал аналогичный принцип. договоренность могла бы сформироваться посредством совершенно другого соглашения, определяемого не обменами, основанными на спинах электронов, а их страстью к путешествиям.

Он представил себе сетку, мало чем отличающуюся от городского пейзажа, населенного электронами, сидящими на углах улиц, как нетерпеливые уличные музыканты. Оставьте хотя бы один угол свободным, понял он, и электроны начнут двигаться, стремясь найти место как можно дальше от других квантовых музыкантов. Каждый прыжок оставлял бы новую вакансию, вызывая перескакивание «дыры» с улицы на улицу.

Руководствуясь этим кинетическим эффектом пустых углов улиц, мог бы возникнуть тот же крупномасштабный эффект вращений, порождая более преувеличенное магнитное поле.

Этот эффект с тех пор наблюдался среди крошечной горстки электронов. Однако до сих пор никто не наблюдал «кинетического» магнетизма Нагаоки, возникающего в массовом материале.

«До сих пор такие механизмы кинетического магнетизма были обнаружены только в модельных системах, например в четырех связанных квантовых системах. точки, но никогда в расширенных твердотельных системах, подобных той, которую мы используем», — говорит Имамоглу.

Эта система состояла из шести слоев двух разных полупроводников: диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Подобно сеткам Нагаоки, каждую из них можно было накладывать друг на друга таким образом, чтобы создавались «углы улиц» за счет муарового эффекта пространств между слоями.

После того, как тонкие слои остыли до температуры Чтобы устранить как можно больше теплового покачивания, было приложено напряжение, посылающее струйку электронов.

Конечно, каждый уличный музыкант нашел угол улицы, чтобы получить свой особый вид вращения. Однако, в отличие от того, что представлял себе Нагаока, магнетизм возникал только тогда, когда был значительный избыток электронов.

Вместо того, чтобы соблазняться магнитной гармонией обещаниями пустых пространств, это было соревнование за гармоничное место для игры. это порождало кратковременные двойные действия, известные как дублоны.

Многократное мигание этих партнерств привело к тому, что материал стал магнитным, чего физики никогда раньше не видели.

Хотя этот процесс вряд ли в ближайшее время приведет к какой-либо новой технологии (или способу размещения рисунков нарциссов на холодильнике), он дает исследователям представление о поведении, которое может стать основой для электроники будущего.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature.